L'étude des interactions microscopiques à des aspérités uniques est vitale pour la compréhension du frottement et de la lubrification à l'échelle macroscopique. Des instruments à sonde de surface avec des pointes de nanotubes de carbone peuvent permettre de telles investigations, comme le démontre maintenant une étude théorique menée par Ping Liu et Yong-Wei Zhang à l'A*STAR Institute of High Performance Computing. Les chercheurs ont montré que court, à paroi simple, les nanotubes de carbone coiffés sont capables de capturer les caractéristiques de friction du graphène avec une résolution atomique.

« Pour une pointe de palpage idéale, sa dimension doit être la plus petite possible, sa rigidité doit être la plus grande possible, sa géométrie doit être bien définie, et il doit être chimiquement inerte, " explique Liu. La combinaison de telles caractéristiques permettrait une caractérisation de surface avec une résolution atomique tout en assurant une longue durée de vie et géométrique, stabilité chimique et physique de la pointe.

nanotubes de carbone, en particulier les courts, sont d'un grand intérêt en raison de leurs fortes liaisons carbone-carbone inhérentes, ce qui leur permet de résister au flambage et à la déformation par flexion et de retrouver leur forme d'origine après déformation. Les tubes bouchés offrent à leur tour une stabilité chimique et une rigidité améliorées par rapport aux tubes non bouchés. Ces considérations indiquent que court, les nanotubes de carbone à paroi unique coiffés peuvent être des pointes de sonde d'imagerie idéales.

Comme il n'est pas encore possible d'utiliser de telles pointes dans des configurations expérimentales, pour tester cette hypothèse, Liu et Zhang ont effectué des simulations atomistiques à grande échelle en se concentrant sur l'interaction entre ces pointes de sonde à nanotubes et le graphène (voir image) - un matériau carboné idéal pour la lubrification des revêtements de surface. « En raison des progrès réalisés dans le développement de potentiels atomiques précis et d'algorithmes de calcul parallèle massifs, les simulations atomistiques permettent non seulement de déterminer les caractéristiques de sondage de telles pointes, mais aussi pour étudier les caractéristiques de frottement et de défaut du graphène avec une résolution atomique, " dit Liu.

Les simulations pourraient capturer la dépendance du frottement et des forces normales moyennes sur la distance pointe-surface et le nombre de couches de graphène. Les chercheurs ont analysé et interprété les caractéristiques observées en termes de différents types de mouvements de glissement de la pointe sur la surface, ainsi que des mécanismes de dissipation d'énergie entre la pointe et les couches de graphène sous-jacentes. Ils pourraient en outre identifier des signatures claires qui distinguent le mouvement d'une pointe à travers un défaut ponctuel ou le soi-disant défaut Stone-Thrower-Wales, qui serait responsable de la plasticité à l'échelle nanométrique et des transitions fragiles-ductiles dans le réseau de carbone du graphène. "Nos simulations donnent un aperçu de la friction à l'échelle nanométrique et peuvent fournir des directives sur la façon de la contrôler, " dit Liu.